(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中は、前記負荷と補機負荷との負荷合計が所定値となるように前記補機負荷の負荷量を調整し、且つ前記補機負荷として、燃料電池本体に供給される水素リッチガス生成用の水蒸気を出力する水蒸気分離器の温度調節用加熱器を用いる燃料電池発電システムの制御方法であって、
前記燃料電池の発電電力の出力特性が予め設定した出力特性の許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整する第１の負荷量調整ステップと、前記水蒸気分離器の圧力が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整する第２の負荷量調整ステップと、を備え、
前記第１の負荷量調整ステップを前記第２の負荷量調整ステップよりも優先することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項２】
前記第１の負荷量調整ステップでは、前記燃料電池の発電電流が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項３】
前記第１の負荷量調整ステップでは、前記燃料電池の発電電圧が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項４】
前記第２の負荷量調整ステップでは、前記水蒸気分離器の水蒸気温度を検出し、前記水蒸気温度が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項５】
前記第２の負荷量調整ステップでは、前記水蒸気分離器の水蒸気流量を検出し、前記水蒸気流量が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項６】
系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中は、前記負荷と補機負荷との負荷合計が所定値となるように前記補機負荷の負荷量を調整し、且つ前記補機負荷として、燃料電池本体に供給される水素リッチガス生成用の水蒸気を出力する水蒸気分離器の温度調節用加熱器を用いる燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池の発電電力の出力特性が予め設定した出力特性の許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整する第１の負荷量調整手段と、
前記第１の負荷量調整手段による前記負荷量の調整後、前記水蒸気分離器の圧力が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整する第２の負荷量調整手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自立運転時に、負荷と補機負荷との負荷量の合計が所定値となるように補機負荷の負荷量を調整する燃料電池発電システムの制御方法及び燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力系統と燃料電池発電装置とで連系して、電力供給を行うべき負荷に対して電力供給を行うようにした燃料電池発電システムが提案されている。この燃料電池発電システムにおいては、連系運転時には、燃料電池発電装置の発電出力を負荷に供給し、負荷への供給電力が不足する場合には電力系統から不足分を獲得してこれを供給し、逆に余剰分は電力系統に供給することで、負荷に対して過不足のない給電を行っている。
【０００３】
一方、電力系統から燃料電池発電装置及び負荷を解列して切り離し、燃料電池発電装置の発電出力により負荷への供給電力を賄う自立運転時には、負荷と、燃料電池発電装置内の電気ヒータ等といった負荷量可変の可変負荷との負荷量の合計が所定値となるように、可変負荷の負荷量を調整することで、負荷に負荷変動が生じた場合であっても、負荷に対して過不足なく、給電を行うようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２２８９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、負荷量可変の可変負荷として、例えば前記特許文献１の第３の実施の形態に記載されているように、燃料電池本体の発熱を除去するための水蒸気分離器用の加熱器を適用した場合、負荷の負荷量変動に伴い加熱器の負荷量を変化させると、この変化に伴い水蒸気分離器の圧力が変動する。このため、この水蒸気分離器の圧力変動に伴い、燃料電池本体の発電特性が変化し、燃料電池の発電電流又は発電電圧が変動してしまうという問題がある。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、自立運転時に、負荷の負荷量が変動した場合であっても、安定した発電を行うことの可能な燃料電池発電システムの制御方法及び燃料電池発電システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発明は、系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中は、前記負荷と補機負荷との負荷合計が所定値となるように前記補機負荷の負荷量を調整し、且つ前記補機負荷として、燃料電池本体に供給される水素リッチガス生成用の水蒸気を出力する水蒸気分離器の温度調節用加熱器を用いる燃料電池発電システムの制御方法であって、前記燃料電池の発電電力の出力特性が予め設定した出力特性の許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整する第１の負荷量調整ステップと、前記水蒸気分離器の圧力が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整する第２の負荷量調整ステップと、を備え、前記第１の負荷量調整ステップを前記第２の負荷量調整ステップよりも優先することを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、前記第１の負荷量調整ステップでは、前記燃料電池の発電電流が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整することを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３に係る発明は、前記第１の負荷量調整ステップでは、前記燃料電池の発電電圧が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整することを特徴としている。
また、請求項４に係る発明は、前記第２の負荷量調整ステップでは、前記水蒸気分離器の水蒸気温度を検出し、前記水蒸気温度が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整することを特徴としている。
さらに、請求項５に係る発明は、前記第２の負荷量調整ステップでは、前記水蒸気分離器の水蒸気流量を検出し、前記水蒸気流量が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の請求項６に係る発明は、系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中は、前記負荷と補機負荷との負荷合計が所定値となるように前記補機負荷の負荷量を調整し、且つ前記補機負荷として、燃料電池本体に供給される水素リッチガス生成用の水蒸気を出力する水蒸気分離器の温度調節用加熱器を用いる燃料電池発電システムであって、前記燃料電池の発電電力の出力特性が予め設定した出力特性の許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整する第１の負荷量調整手段と、前記第１の負荷量調整手段による前記負荷量の調整後、前記水蒸気分離器の圧力が予め設定した許容範囲に収まるように前記補機負荷の負荷量を調整する第２の負荷量調整手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
ここで、水蒸気分離器の温度調節用の加熱器の負荷量を調整すると、水蒸気分離器の圧力が変動するため、水蒸気分離器で発生された水蒸気を利用して生成される水素リッチガスの流量が変動し、この水素リッチガスを利用して発電を行う燃料電池の発電電力の出力特性が変動することになる。しかしながら、燃料電池の発電電力の出力特性を監視しこれが許容範囲に収まるように補機負荷の負荷量を調整し、また、燃料電池の出力特性の変動をもたらす水蒸気分離器の圧力を許容範囲に収まるように、補機負荷の負荷量を調整するため、燃料電池の発電電力の出力特性が許容範囲を超えて変動することを回避することができる。
【００１０】
特に、水蒸気分離器の圧力変動による影響が燃料電池の出力特性に現れるまでに応答遅れが生じるため、圧力変動が生じた時点では燃料電池本体に与える影響は小さい。一方、燃料電池の出力特性が変化した場合に燃料電池本体に与える影響は大きい。このため、燃料電池本体に与える影響の大きい、燃料電池の出力特性の調整を優先して行うことにより、燃料電池本体を効率よく保護することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、負荷と燃料電池用の補機負荷との負荷合計が所定値となるように補機負荷としての水蒸気分離器の加熱器の負荷量を調整すると共に、燃料電池の発電電力の出力特性が許容範囲に収まるように補機負荷の負荷量を調整し、また、水蒸気分離器の圧力が許容範囲に収まるように補機負荷の負荷量を調整するため、自立運転時における負荷の負荷量変動に追従して電力供給を行うことができると共に、水蒸気分離器の加熱器の負荷量の変動に伴い燃料電池の出力特性が許容範囲を超えることを回避し、燃料電池の出力特性が許容範囲を超えることにより燃料電池本体が影響を受けることを回避することができる。
特に、燃料電池に実際に影響を及ぼすまでに応答遅れを有する水蒸気分離器の圧力の調整よりも、燃料電池本体に影響を及ぼしている燃料電池の出力特性の調整を優先して行うため、燃料電池本体の保護を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した燃料電池発電システム１０の概略構成を示すブロック図である。
図１の燃料電池発電システム１０は、直流電力を発電する燃料電池１と、この燃料電池１の発電出力を交流電力に変換するインバータ２と、燃料電池１内の各種補機や後述の電気ヒータ等の補機負荷３と、燃料電池発電システム１０を系統電源１１から切り離すための系統連系用遮断器４と、システム制御装置７と、を備える。
【００１３】
燃料電池１の発電出力はインバータ２で交流電力に変換され、その一部は補機負荷３に供給されると共に、燃料電池発電システム１０の給電対象である顧客負荷１２に供給される。また、燃料電池１の発電出力の余剰分は、系統連系用遮断器４を介して系統電源１１に供給され、逆に、不足分は、系統連系用遮断器４を介して系統電源１１から顧客負荷１２に供給される。
【００１４】
前記燃料電池１には、その発電出力を検出する電流センサ１ａが設けられている。また、補機負荷３及び顧客負荷１２のそれぞれには、負荷量を計測するための電力計等の負荷計測センサ３ａ及び１２ａが設けられている。これら電流センサ１ａ、負荷計測センサ３ａ及び１２ａのセンサ出力は、システム制御装置７に入力される。
システム制御装置７は、燃料電池１、インバータ２及び系統連系用遮断器４を制御する。
【００１５】
図２は、燃料電池１の概略構成を示すブロック図である。
天然ガスやＬＰＧ等といった原燃料は、原燃料供給系２１を経て燃料反応器２２に供給される。この燃料反応器２２は、脱硫器２２ａ、ＣＯ変成器２２ｂ及び熱交換機２２ｃが一体に組み込まれて形成され、燃料反応器２２に供給された原燃料は、熱交換器２２ｃで加熱された後、脱硫器２２ａに供給される。
脱硫器２２ａは、天然ガスやＬＰＧ等といった炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫触媒が充填され、脱硫器２２ａで脱硫された原燃料は、エゼクタ２３に送られる。
エゼクタ２３は、脱硫器２２ａからの原燃料と、水蒸気供給系２３ａを経て導入される水蒸気分離器２４で分離された水蒸気とを混合して改質器２５に供給する。
【００１６】
改質器２５には、水蒸気と混合された原燃料がエゼクタ２３から導入されると共に、燃焼空気供給用ブロア２６ａを備えた燃焼空気供給系２６を通して燃焼空気が導入され、さらに、燃料電池本体２７から排出される未反応水素を含む燃料オフガスがオフガス供給系２８を経て導入される。そして、改質器２５において、水蒸気が付加された原燃料がバーナ２５ａによる燃焼により水蒸気改質されて、水素に富む水素リッチガスが生成される。
【００１７】
改質器２５で生成された水素リッチガスはＣＯ変成器２２ｂに送られ、含まれる触媒被毒物質であるＣＯがＣＯ2へ変成された後、燃焼ガスとして、改質ガス供給系２９を経て燃料電池本体２７の燃料極２７ａへと送られる。また、改質器２５から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系３０を通して水回収用凝縮器３１に送られる。
一方、燃料電池本体２７の空気極２７ｂには、反応空気ブロア３２ａを備えた反応空気供給系３２を通して反応用の空気が送られ、電池反応後の空気は、空気排出系３３を通して水回収用凝縮器３１に送られる。
【００１８】
また、燃料電池本体２７には、冷却板２７ｃが組み込まれている。この冷却板２７ｃの内部には、水蒸気分離器２４に貯留された、電気伝導度が低く且つシリカ等の鉱物系異物の少ない純水が冷却水として供給される。この純水は、燃料電池冷却水循環ポンプ３４ａを備えた冷却水循環系３４により水蒸気分離器２４から循環供給されると共に、純水の一部は、燃料電池用冷却水の廃熱回収用の熱交換器３４ｂを介して循環供給され、これによって、燃料電池本体２７の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池本体２７の温度を所定の運転温度に維持している。
【００１９】
冷却水循環系３４により燃料電池本体２７に循環供給され、燃料電池本体２７での発電による生成熱を除去して冷却し、その熱を得て高温になった加圧水、或いは水と水蒸気とからなる気液二層流の冷却水は、冷却水加熱器３５を経て水蒸気分離器２４の気相部へと還流される。
冷却水加熱器３５は、起動時及び水蒸気分離器２４の圧力変動時の補償用として設置されているものであって、電気ヒータを組み込んで構成される。この電気ヒータの負荷量は調整可能に構成され、図１に示すシステム制御装置７により可変制御される。
【００２０】
水回収用凝縮器３１には燃焼排ガス系３０を通して改質器２５からの燃焼排ガスが導入されると共に、空気排出系３３を通して燃料電池本体２７の空気極２７ｂからの電池反応後の空気排出ガスが導入され、高温冷却水往ライン４１を通して導入される空冷式冷却器４２で冷却された冷却水により、燃焼排ガス及び空気排出ガス中の回収水を冷却する。
【００２１】
水回収用凝縮器３１で回収された生成水のうち、一部は、回収水循環ポンプ４３ａ及び外部冷却器循環ポンプ４３ｂを備える排熱低温水往ライン４３を通して空冷式冷却器４２に導入される。排熱低温水往ライン４３の、回収水循環ポンプ４３ａと外部冷却器循環ポンプ４３ｂとの間には三方調節弁４３ｃが設けられ、排熱低温水往ライン４３を循環する、水回収用凝縮器３１で回収された生成水の一部は冷却媒体循環系４４に排出される。この冷却媒体循環系４４に排出された水回収用凝縮器３１からの生成水は、冷却媒体として燃料電池用冷却水の廃熱回収用熱交換器３４ｂに供給された後、排熱中温水熱交換器４４ａに供給され、ここで熱交換された後、一部は排熱低温水往ライン４３に戻される。
【００２２】
また、排熱低温水往ライン４３の、外部冷却器循環ポンプ４３ｂと空冷式冷却器４２との間には三方調節弁４３ｄが設けられ、排熱低温水往ライン４３を流れる生成水の一部は、高温冷却水往ライン４１に排出される。
水回収用凝縮器３１で生成された生成水は、さらに補給水ポンプ４６ａを備えた生成水回収ライン４６を介して燃料電池高温水熱変換器４７に供給された後、イオン交換式水処理装置４８に導入される。そして、このイオン交換式水処理装置４８で生成された純水が給水ポンプ４９により、燃料電池冷却水循環ポンプ３４ａの吸入側に吐出され、これによって、水蒸気分離器２４の純水の補給が行われる。
【００２３】
燃料電池高温水熱交換機４７には、冷却媒体として、高温冷却水往ライン４１を流れる冷却水が冷却媒体循環系４７ａにより循環供給される。
そして、水蒸気分離器２４には、水蒸気分離器２４の圧力を検出するための圧力センサ２４ａが設けられている。また、冷却水加熱器３５には、その負荷量を検出するための負荷計測センサ３５ａが設けられている。これら圧力センサ２４ａ及び負荷計測センサ３５ａのセンサ出力は、図１に示すシステム制御装置７に入力される。
【００２４】
システム制御装置７は、図示しない各種センサのセンサ出力に基づいて、燃料電池１、インバータ２、系統連系用遮断器４を駆動制御し、連系運転時には、燃料電池１と系統電源１１とで連系して顧客負荷１２への給電を行い、顧客負荷１２への供給電力が不足するときには系統電源１１からの電力を顧客負荷１２に供給して不足分を補い、顧客負荷１２への供給電力に余剰分が生じる場合にはこれを系統電源１１に供給する。
【００２５】
一方、系統電源１１側に停電等異常が生じた場合には、系統連系用遮断器４を開状態に切り替え、燃料電池１及び顧客負荷１２を系統電源１１から切り離して自立運転に切り替え、燃料電池１の発電出力のみを用いて顧客負荷１２への電力供給を行う。
また、システム制御装置７は、自立運転中は、負荷計測センサ３ａ及び１２ａのセンサ出力に基づき補機負荷３の負荷量と顧客負荷１２の負荷量との和が所定値となるように、冷却水加熱器３５を構成する電気ヒータの負荷量を調整する負荷量一定制御を行う。この負荷量一定制御により、顧客負荷１２の負荷変動に応じて冷却水加熱器３５の負荷を変動させることにより、燃料電池１の発電出力を変化させることなく、燃料電池１の発電出力と、燃料電池１の電力負荷である顧客負荷１２及び補機負荷３とのバランスを保ち、顧客負荷１２の負荷変動に伴って、燃料電池１の周辺機器の応答遅れのために燃料電池１に燃料や空気の供給不足が生じることなく、燃料電池本体２７の電池特性の劣化を防止する。
【００２６】
さらに、システム制御装置７は、自立運転中、電流センサ１ａ及び圧力センサ２４ａのセンサ出力を監視し、電流センサ１ａで検出される燃料電池１の発電電流が予め設定した許容範囲内に収まるように、冷却水加熱器３５を構成する電気ヒータの負荷量を調整する発電出力制御を実行する。また、これと共に、圧力センサ２４ａで検出される水蒸気分離器２４の圧力が、予め設定した燃料電池１での安定した電力発電が可能な許容範囲内に収まるように、冷却水加熱器３５を構成する電気ヒータの負荷量を調整する圧力制御を実行する。
【００２７】
ここで、燃料電池１による発電では、主燃料とする都市ガスの流量によって取り出し得る電流量に制約があるため、発電電流をある程度の大きさ以下に制限する必要がある。また、燃料電池１の燃料電池本体２７を腐食等から保護するためには発電電圧をある程度の大きさ以下に制限する必要がある。
すなわち、図３の特性図に示すように、燃料電池１の発電電流及び発電電圧がそれぞれの上限値を共に下回る範囲に収まるように、燃料電池１の発電出力を制御する必要がある。なお、図３において、横軸は発電電流、縦軸は発電電圧であって、斜線で示す領域は、燃料電池１の発電電流及び発電電圧の少なくとも何れか一方が、それぞれの上限値を上回る領域、すなわち非安定領域を表す。図３において、発電電流及び発電電圧がそれぞれの上限値以下となる領域、すなわち図３において斜線領域に囲まれた領域が安定領域となり、燃料電池１の発電出力が安定領域に収まるように燃料電池１を制御する必要がある。
【００２８】
このため、電流センサ１ａのセンサ出力を監視し、センサ出力が発電電流の上限値を超えるときには冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を減少させて消費電流の削減を図ることで発電電流の減少を図る。また、発電電圧の監視は、電流センサ１ａのセンサ出力を用いて行い、発電電圧が発電電圧の上限値を超えるとき、すなわち、電流センサ１ａのセンサ出力が発電電圧の上限値相当の発電電流値を下回るときには、冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を増大させて消費電流の増大を図ることで発電電圧の減少を図る。
【００２９】
次に、本発明の動作を、図４及び図５のフローチャートに基づいて説明する。なお、図４は、システム制御装置７で実行される、負荷量一定制御処理の処理手順を示したものであり、図５は、システム制御装置７で実行される、発電出力及び圧力制御処理の処理手順を示したものである。これら負荷量一定制御処理、また、発電出力及び圧力制御処理は、予め設定した定周期で実行される。
【００３０】
システム制御装置７では、自立運転中は、図４に示す負荷量一定制御を行い、まず、負荷計測センサ３ａ及び１２ａのセンサ出力を読み込む（ステップＳ１）。次いで、補機負荷３及び顧客負荷１２の負荷量の和が予め設定した所定値であるかどうかを判定し（ステップＳ２）、所定値であれば負荷量の和は一定に維持されているとしてそのまま処理を終了する。一方、ステップＳ２で、補機負荷３及び顧客負荷１２の負荷量の和が所定値でなければステップＳ３に移行し、これらの和が所定値となるように冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を制御する。これにより、顧客負荷１２の負荷変動に対し、燃料電池１の応答遅れによる影響を受けることなく、顧客負荷１２への電力供給の負荷追従特性が確保されることになる。
【００３１】
システム制御装置７では、この負荷量一定制御と共に、図５に示す、発電出力及び圧力制御処理を実行する。まず、ステップＳ１１で電流センサ１ａのセンサ出力である、燃料電池１の出力電流が、予め設定した上限値Ｉmaxを上回っているか否かを判断する。この上限値Ｉmaxは、例えば、燃料電池１本体に影響を及ぼすことなく安定した発電出力を得ることの可能な発電電流の最大値である最大許容値よりも１％程度小さな値に設定される。
【００３２】
そして、電流センサ１ａのセンサ出力が上限値Ｉmaxよりも大きいときには、ステップＳ１１からステップＳ１２に移行し、冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を所定量（例えば、５ｋＷ程度）だけ減少させる。つまり、負荷量一定制御により設定された電気ヒータの負荷量をさらに所定量だけ減少させる。これにより、冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量が低めに設定され、電気ヒータの消費電流がその分減少するため、結果的に燃料電池１の発電電流が低下する。このため、燃料電池１の発電出力が図３の安定領域に収まることになって、燃料電池１を保護することができる。
【００３３】
一方、電流センサ１ａのセンサ出力が上限値Ｉmax以下であるときには、ステップＳ１１からステップＳ１３に移行し、次に電流センサ１ａのセンサ出力が、発電電流の下限値Ｉminを下回るか否かを判定する。この発電電流の下限値Ｉminは、燃料電池１の発電電圧の最大許容値に応じて設定される。この最大許容値は、例えば、燃料電池１に影響を及ぼすことなく安定した発電出力を得ることの可能な発電電圧の最大値である。下限値Ｉminは、発電電圧の最大許容値を満足するときの発電電流の最小値を最小許容値としたとき、この最小許容値よりも１％程度大きな値に設定される。
【００３４】
そして、電流センサ１ａのセンサ出力が下限値Ｉminを下回るとき、すなわち、発電電圧が最大許容値を超えるときには、ステップＳ１３からステップＳ１４に移行し、冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を所定量（例えば、５ｋＷ程度）だけ増加させる。つまり、負荷量一定制御により設定された電気ヒータの負荷量をさらに所定量だけ増加させる。これにより、冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量が高めに設定され、電気ヒータの消費電流がその分増加するため、結果的に燃料電池１の発電電圧が低下する。このため、燃料電池１の発電出力が図３の安定領域に収まることになって、燃料電池１を保護することができる。
【００３５】
また、電流センサ１ａのセンサ出力が、上限値Ｉmax以下であり且つ下限値Ｉmin以上であるときにはステップＳ１５に移行し、次に、圧力センサ２４ａのセンサ出力である、水蒸気分離器２４の圧力が、最大圧力Ｐmaxを上回るかどうかを判定する。この最大圧力Ｐmaxは、燃料電池１において安定した電力発電を行うことの可能な、水蒸気分離器２４の圧力の最大値である最大許容値に応じて設定され、例えば、最大許容値よりも１％程度小さな値に設定される。
【００３６】
そして、圧力センサ２４ａのセンサ出力が最大圧力Ｐmaxを上回るときには、ステップＳ１５からステップＳ１２に移行し、冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を所定量減少させる。これにより、水蒸気分離器２４の圧力が低下するため、エゼクタ２３への高圧の水蒸気の供給量を安定させることができ、燃料電池１の発電出力特性の変動を抑制することができる。
【００３７】
一方、圧力センサ２４ａのセンサ出力が最大圧力Ｐmax以下であるときには、ステップＳ１５からステップＳ１６に移行し、圧力センサ２４ａのセンサ出力が最小圧力Ｐminを下回るかどうかを判定する。この最小圧力Ｐminは、水蒸気分離器２４の圧力が、燃料電池１において安定した電力発電を行うことの可能な圧力の最小値である最小許容値に応じて設定され、例えば最小許容値よりも１％程度大きな値に設定される。
【００３８】
そして、圧力センサ２４ａのセンサ出力が最小圧力Ｐminを下回るときには、ステップＳ１６からステップＳ１４に移行し、冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を所定量増加させる。これにより、水蒸気分離器２４の圧力が増加するため、エゼクタ２３への高圧の水蒸気の供給量を安定させることができ、燃料電池１の発電出力特性の変動を抑制することができる。
【００３９】
さらに、電流センサ１ａのセンサ出力が、上限値Ｉmax以下且つ下限値Ｉmin以上であり、圧力センサ２４ａのセンサ出力が、最大圧力Ｐmax以下且つ最小圧力Ｐmin以上であるときには、冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量の調整は行わない。このため、電気ヒータの負荷量は、負荷量一定制御に基づき設定された値となって、顧客負荷１２の負荷変動に対し、燃料電池１の応答遅れによる影響を受けることなく、顧客負荷１２への電力供給の負荷追従性を確保することができる。
【００４０】
以上の処理が、システム制御装置７により所定周期で実行されるため、負荷量一定制御が行われることにより、燃料電池１の発電出力が図３の安定領域を超えたときには、これを抑制するように冷却水加熱器３５の負荷量の制御が行われ、燃料電池１の発電出力は安定領域の範囲内で制御されることになる。このため、燃料電池１の発電電流や発電電圧が許容値を超えることによって、燃料電池１に悪影響を与えることを回避し、燃料電池１を保護することができる。
【００４１】
また、負荷量一定制御により冷却水加熱器３５の負荷量が調整されることに伴って、水蒸気分離器２４に圧力変動が生じたときには、水蒸気分離器２４の圧力が許容範囲内に収まるように冷却水加熱器３５の負荷量を制御するため、負荷量一定制御により負荷追従性を確保しつつ、エゼクタ２３への安定した水蒸気供給を行うことにより、燃料電池１の発電出力特性の変化を抑制し、安定した電力発電を継続することができる。
【００４２】
このように、負荷量一定制御を行うことにより、冷却水加熱器３５の負荷量が変動し、これに伴って、燃料電池１の発電出力特性が変化したり、水蒸気分離器２４に圧力変動が生じたりした場合であっても、これらを抑制するように、冷却水加熱器３５の負荷量を調整しているから、燃料電池１の発電電流や発電電圧が許容値を超えることにより燃料電池１に腐食が生じる等といったことを回避し燃料電池１の保護を図ることができると共に、水蒸気分離器２４の圧力の変動に伴って燃料電池１の出力特性が変化することを回避することができ、安定した電力発電を継続することができる。
【００４３】
また、このとき、水蒸気分離器２４の圧力の変動による影響が燃料電池１の出力特性の変化として現れるまでに応答遅れが生じる水蒸気分離器２４の圧力の安定性よりも、燃料電池１の出力特性の安定性確保を優先して冷却水加熱器３５の負荷量を調整しており、燃料電池１の出力特性の安定性確保を優先して負荷量を制御すると共に、燃料電池１に出力特性の変動をもたらすような水蒸気分離器２４の圧力変動を抑制するようにしているから、燃料電池１の保護を効率よく行うことができる。
【００４４】
なお、上記実施の形態においては、水蒸気分離器２４の圧力の安定性確保よりも、燃料電池１の出力特性の確保を優先して行う場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、水蒸気分離器２４の圧力安定性の確保を、燃料電池１の出力特性の確保よりも優先して行うようにしてもよく、要は、燃料電池発電システム１０の運用状況に応じて、燃料電池発電システム１０に与える影響を効率よく低減することができる方を優先して行うようにすればよい。
【００４５】
また、上記実施の形態においては、燃料電池１の発電電流に基づいて、燃料電池１の出力特性を安定領域に収める場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、燃料電池１の発電電流に替えて、燃料電池１の発電電圧を検出しこれに基づいて、発電出力が安定領域に収まるように制御してもよい。また、発電電流及び発電電圧をそれぞれ検出しこれらがそれぞれの上限値を下回るように制御してもよく、要は、燃料電池１の発電出力が図３に示す安定領域に収まるように制御を行えば、発電電流及び発電電圧の何れに基づいて制御してもよい。
【００４６】
また、上記実施の形態においては、水蒸気分離器２４の圧力に基づき、冷却水加熱器３５の負荷量を調整する場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、圧力センサ２４ａに替えて、例えば、水蒸気分離器２４の温度を検出する温度センサ、或いは、水蒸気分離器２４から出力される水蒸気流量を検出する水蒸気流量センサを設け、水蒸気分離器２４の圧力に替えて、温度センサで検出される水蒸気分離器２４の温度、或いは水蒸気流量センサで検出される水蒸気分離器２４から出力される水蒸気流量を、水蒸気分離器２４の圧力相当値として用い、この圧力相当値に基づき冷却水加熱器３５の負荷量を調整するようにしてもよい。
【００４７】
また、上記実施の形態においては、負荷量一定制御において、水蒸気分離器２４用の冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を調整することで顧客負荷１２と補器負荷３との負荷量の和が所定値となるように制御する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、冷却水加熱器３５の他に、負荷量調整用の電気ヒータを設け、冷却水加熱器３５の負荷量と共に負荷量調整用の電気ヒータの負荷量を調整することで、顧客負荷１２との負荷量の和を所定値に維持するように構成した場合であっても適用することができ、この場合には、負荷量の和を所定値に維持するために冷却水加熱器３５の負荷量を調整している場合にのみ、発電出力及び圧力制御処理を実行すればよい。
【００４８】
ここで、図５のステップＳ１１からステップＳ１２に移行して冷却水加熱器３５の電気ヒータの負荷量を調整する処理とステップＳ１３からステップＳ１４に移行して前記電気ヒータの負荷量を調整する処理とが、第１の負荷量調整ステップ及び第１の負荷量調整手段に対応している。また、図５のステップＳ１５からステップＳ１２に移行して前記電気ヒータの負荷量を調整する処理とステップＳ１６からステップＳ１４に移行して前記電気ヒータの負荷量を調整する処理とが、第２の負荷量調整ステップ及び第２の負荷量調整手段に対応している。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を適用した燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池の概略構成を示すブロック図である。
【図３】燃料電池の出力特性を示す特性線図である。
【図４】負荷量一定制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図５】発電出力及び圧力制御処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１  燃料電池
１ａ  電流センサ
２  インバータ
３  補機負荷
３ａ  負荷計測センサ
７  システム制御装置
１１  系統電源
１２  顧客負荷
１２ａ  負荷計測センサ
２４  水蒸気分離器
２４ａ  圧力センサ
２５  改質器
２７  燃料電池本体
３５  冷却水加熱器
３５ａ  負荷計測センサ
【図１】
0005359022.tif 000002
【図２】
0005359022.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005359022.tif 000005
【図５】
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